代謝経路や酵素の設計、メタボローム解析に基づく大腸菌でのアルカロイド高生産

実施機関

神戸大学、石川県立大学

研究開発のゴール

微生物を利用して植物由来天然物であるベンジルイソキノリンアルカロイド類（BIAs）を高生産する。

目的

植物由来天然物であるBIAsには、オピオイド系鎮痛剤をはじめ医薬品原料として重要な化合物が多く含まれる。従来、商用製品は植物からの抽出により得られてきたが、効率面やコスト面での課題があった。近年、大腸菌や酵母での生産研究が報告されているものの、生産量が低く実用化に向けては生産性の向上が求められていた。そこで、バイオインフォマティクスと合成生物学を組合せて形成するDBTL（Design-Build-Test-Learn）ワークフローを用いて、BIAs生合成のボトルネックを解消する。

結果・成果

これまでの研究から、BIAsの前駆体化合物テトラヒドロパパベルロリン（THP）を細胞内で生成させる酵素の活性が弱いことがわかっており、このボトルネックの解消が鍵となっていた。高機能な有用物質を大量に生産させるスマートセルを構築するためには、生産量や収率を高める代謝経路を設計し、設計を具現化するための遺伝子を宿主微生物細胞に導入する必要がある。
そこで、荒木博士が開発したバイオインフォマティクス技術による代謝設計ツール「M-path」を用いて、従来のボトルネックとなる代謝経路をショートカットするとともにBIAsの生産性向上に寄与する新規の代謝経路を設計した。さらに、新規ショートカット経路を構成する酵素を自然界から探索し、構造シミュレーションを活用してアミノ酸配列を改変することで、新規経路だけでなく従来経路もバランスよく併せ持つ酵素の作出に成功した。こうして設計した代謝経路と酵素に関連する遺伝子を大腸菌に導入して検証試験を行ったところ、菌内でも両方の代謝経路が効率よく機能し、BIA生合成の代謝中間体であるTHPの生産量を2倍以上増大させることに成功した。さらに、生産菌のメタボローム解析を行った結果、生産性のさらなる向上につながる代謝ルールを見出した。このルールに基づいて培養条件の検討を行ったところ、BIAsの一種であるレチクリン生産量を7倍以上増大させることに成功した。微生物発酵法によるBIA生産の実現に一歩近づいた。

この研究で得られたデータ

プロジェクト（微生物を用いたアルカロイド等の新規生産法の有効性検証）
　－ NITE生物資源データプラットフォーム(DBRP) から提供（制限公開データを含みます）